教案第4章水环境演化原理

水中有机物降解与转化

厌氧降解转化
是指在无分子氧但有化合态氧的情况下（如NO3-, NO2-, SO42-, S2O32-, CO2 ），依赖兼性厌氧菌和专性厌氧菌的生 物化学作用，对有机物进行生物降解的过程，最终达到无 机化。如反硝化作用：
C6H12O6 + 6H2O —— 6 CO2 + 24 H 24 H + 4 NO3- —— 2N2 + 12 H2O
好氧生物处理是利用微生物的新陈代谢功能，把1/3有机物 分解为无机物，把2/3有机物合成为微生物自身。当活性污泥 进入二沉池时，作为剩余污泥排放，达到了有机物的稳定化和 无害化。
基本概念
分解代谢是微生物在利用底物的过程中，一部 分底物在酶的催化作用下降解并同时释放出能量 的过程。 合成代谢是微生物利用另一部分底物或分解代 谢过程中产生的中间产物，在合成酶的作用下合 成微生物细胞的过程。 内源呼吸是微生物利用自身内部储存的能源物 质进行呼吸。
污染物在水中的迁移过程
----离散（弥散）作用输移

弥散输移：为了补偿由于采用状态的空间平均值 描述实际的空间分布不均所产生的输移。
C 3 C 3 C I D , I D , I D x y y z z x y z
3 x

式中， I表示 x ， y ， z 方向上由湍流扩散引起 的污染物扩散通量； D 为离散系数； C 为环境介 质中的污染物的时间平均浓度。
dS m X dt y0
当基质浓度很高时，Ks相对于S 甚小，可以不计，上式可得： 当基质浓度较低时，S与Ks相比甚 小，可以忽略不计，上式可得：
dS m X S dt y0 Ks
近似为一级反应动力学：
dS K1S dt
K1
mX
y 0 Ks
K1—降解系数
一、反应速度
在生化反应中，反应速度是指单位时间单位体积 内底物的减少量、产物或细胞质的增加量。例：生 化反应：S→y·X+z ·P 反应速度： dn dn dn

湍流扩散和弥散的引进是为了弥补在实际计算中采 用时间和空间平均值而引起的误差。
u
u
取时间平均
t
取空间平均
x
废水在河流中的混合

由于移流、扩散、离散作用的存在，废水排入河流 后在河流中一般出现三种不同混合状态的区段。 竖向混合河段：沿垂直方向达到混合均匀（三维） 横向混合河段：从竖向均匀混合到下游污染物在整 个横断面上均匀混合的区段（二维） 纵向混合河段：横向混合均匀河段之后的河段（一 维）


C 1 C 1 C I E E E m , I y m , I z m x y z
1 x

式中: I 分别表示 x ，y ，z方向上的污染物扩散通量； Em 为分子扩散系数m2/s，C是时均浓度。
污染物在水中的迁移过程
----紊动扩散作用输移

紊动扩散：紊流流场中质点的瞬时值相对于平均值的随 机脉动导致的分散现象。
水中微生物的增长速率
----莫诺特（ Monod ）方程 μ的表达：即微生物浓度增长速度与当时的微生 物浓度之比 dX / dt S dX/dt X m ax X K S s
μ ——微生物比生长速率，（s-1）；
X——微生物浓度，（mg/L）；
S——限制性底物浓度，（g/L）； Ks——饱和常数，即当μ=1/2μmax时的底物浓度。
产乙 酸菌
通过不同 途径转化 为CH4+CO2 等
CO2 [H] 乙酸 产甲烷
水解酸化
产氢产乙酸
厌氧生物处理过程中有机物转化示意图
废水的厌氧生物处理可分为三个阶段，大分子有机物 （不溶性）→小分子有机物（溶解性） 、无机物→有机 酸、无机物→CH4、CO2、NH3、H2S，使有机物得以降 解和稳定。
水中微生物的增长速率
----微生物的生长规律


停滞期（适应期）：微生物的生长速度从零逐 渐开始增加，细菌总数增加。出现于污泥培养 驯化阶段，或水质发生变化、停产后又生产阶 段。一般几分钟到几个小时。 对数期：微生物以最大速度增长，细菌总数快 速增加。当废水中有机物浓度高，且培养条件 适宜，可能处于对数期。处于对数期的微生物 降解有机物速度快，但沉降性能差。
污水生化反应动力学
生物降解反应速度相关因素，主要是污染浓度、
微生物变化： （1）水中微生物（菌、藻）增长规律，直接影 响污染物的降解； （2）水中有机污染物的降解规律，与水质预测 直接相关。
水中微生物的增长速率
----微生物的生长规律
按微生物的生长速度， 其生长可分为四个时期： 停滞期； 对数期； 静止期； 衰老期。
C 2 C 2 C I E , I E , I E x y y z z x y z
2 x
式中: I分别表示 x ， y ， z 方向上由湍流扩散引起的 污染物扩散通量； Ex ,Ey, Ez 为紊动扩散吸系数m2/s ； C为环境介质中的污染物的时间平均浓度。


吸附作用

一是弗劳德利希（Freundlich)吸附等温式; 二是海纳利(Henery)吸附等温式；
Freundlich Henery

S e kC S e kC
1/ n e e
Se:吸附达到平衡时水中泥沙的吸附浓度，等于泥 沙吸附的污染物总量除以泥沙总量。μ g/g计 Ce：吸附平衡时水体的污染浓度， μ g/L计 k、n为经验常数
A
A

反应级数： x+y+z=0 x+y+z=1 x+y+z=2 x+y+z=3
dt
kC CC
x y z A B C
零级反应 一级反应 二级反应 三级反应
酶 反 应 速 度 ν
νmax
1/2νmax
混合级反应区 （0<n<1） 一级反应区 （n=1）
零级反应区 （n=0）
CS max Km CS
总反应式：
C6H12O6 + 4 NO3-——6 CO2 + 6H2O + 2N2 + 1755.6 kJ
废水或污泥 中不溶态大 分子有机物
发 酵 蛋白质 菌 多糖 脂类
氨基酸 C6H12O6 甘油 脂肪酸
发 酵 菌
I 类 产 物 II 类 产 物
甲酸 甲醇 甲胺 乙酸等
甲 烷 菌
丙酸 丁酸 乳酸 乙醇等
基质降解速率方程
根据试验，微生物增长与其消化基质之间存在如 下关系： dX y 0 dS
y0 —产量常数，即消化单位浓度的基质而增长的微生 物浓度，于是有：
dX /dt dS /dt y 0 X X
基质降解速率方程
有上式可得：
dS X m SX dt y 0 y 0 Ks S
水中微生物的增长速率
----莫诺特（ Monod ）方程
1942年，现代细胞生长动力学奠基人Monod提出，在微 生物生长曲线的对数期和平衡期，细胞的比生长速率与限制 性底物浓度的关系可用下式表示：
S max Ks S
μ ——微生物比生长速率，（s-1）； μmax——微生物最大比生长速率，（s-1）； S——限制性底物浓度，（g/L）； Ks——饱和常数，即当μ=1/2μmax时的底物浓度。
断面最小浓度和最大浓度之差在5%以内作为达 到完全混合的标准；
污染物在水中的迁移过程
----吸附与解吸

吸附：水中溶解的污染物或胶状物,当与悬浮于水 中的泥沙等固相物质接触时,将被吸附在泥沙表面, 并在适宜的条件下随泥沙一起沉入水底,使水的污 染物浓度降低,起到净化作用;
解吸：被吸附的污染物质当水体条件(流速、浓度、 PH）改变时，又溶于水中的过程。 吸附-解吸作用总的趋势：水体污染浓度减少
水中微生物的增长速率
----微生物的生长规律


静止期（稳定期）：微生物生长速度开始下降， 细菌总数达到平衡。当废水中有机物浓度降低， 污泥浓度较高时，微生物可能处于静止期。此时 污泥絮凝性好（菌胶团细菌易于相互粘附，分泌 物增多），二沉池出水水质最好。 衰老期（衰亡期；内源呼吸期）：微生物生长速 度变为负值，细菌总数下降。当有机物浓度低， 营养物明显不足，则可能处于衰老期。此时污泥 较松散，沉降性能好，出水中有细小泥花。
污染物在水中的迁移过程 ----对流

对流迁移通量的计算
f u C ,f u C ,f u C x x y y z z

式中： fx ， fy ， fz 分别为 x ， y ， z 方 向上的污染物对流迁移通量； ux ， uy ， uz 环境介质在 x ， y ， z 方向上的时均流 速分量； C 是污染物在环境介质中的时均 浓度。
分解代谢 1/3 （有氧呼吸）
H2O、CO2、NH3、SO42-、PO43- +能量 放 热
有机物+氧
M
2/3 合成代谢 原生质
内源呼吸 M、O2
H2O、CO2、 + 能量 NH3 净增细胞物质
好氧生物处理过程中有机物转化示意图
合成代谢方程式：
CXHYOZ+NH3+O2 →C5H7NO2+CO2+H2O-能量
S
S
如果反应过程V恒定，则反应速度：
dC S S dt
Vdt
X
X
Vdt
P
P
Vdt
三个组分的反应速度之间的关系： S X P
1 y z、反应速率方程和反应级数
等温恒容不可逆反应： aA+bB+cC→dD+Ee+… 反应速率方程 dC